基于機載LiDAR的城市實景三維模型構建

中圖分類號：P258 文獻標志碼：A 文章編號:1003-5168（2025)16-0106-04

DOI:10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.16.021

Construction ofUrbanRealistic 3DModel Based on AirborneLiDAR

WU Lifang (Nanchang Research Institute of Surveying and Mapping Survey Co.Ltd.， Nanchang 33oooo，China)

Abstract:[Purposes] To address the issue that conventional urban real-scene 3D models are prone to high deviations from reality due to laser point discrimination angle errors，this study proposes a 3D urban real-scene model based on the integration of airborne LiDAR and low altitudeobliquephotography. [Methods] Multi-view images were extracted using airborne LiDAR and low-altitude oblique photography to optimize the boundary contours of the urban real-scene 3D model，thereby completing its construction. [Findings] The proposed 3D real-scene modeling method achieved excellnt scores across all segmented regions，indicating that the model exhibits higher visual consistency and fidelity to reality. [Conclusions] The proposed method demonstrates low MNE，robust model performance，reliability，and practical applicability，providing technical support for advancing urban digital construction.

Keywords: airborne LiDAR; low-altitude oblique photography; urban real-scene; 3D;model construction

0 引言

社會化數字轉型推動了城市信息化建設發展，各類三維模型應運而生，為城市實景建設提供決策支持[1]。城市實景三維模型是一種結合人類生產生活、時間、空間的特殊模型，也是基礎設施建設的重要測繪工具[2。常見的城市實景三維模型可以劃分為地形級、城市級、部件級等3，針對性較強。

城市三維實景模型在構建過程中需要提供高質量的數據來源，即利用無人機進行傾斜攝影，實現多角度環視拍攝，除此之外，還需要利用三維建模軟件進行集中處理[4，生成高性能虛擬場景。趙剛[5]基于三維激光點云技術建立了全要素空間數字底座，實現空間數字的實時接人調整，但該模型存在屬性信息掛接問題。于寧利用SWDC-5Ah和Smart3D進行了多維空間數據處理，提高了模型的兼容性，但該方法的擬合度較低，無法滿足部分狀態下的場景真實性要求。為提高模型的擬合性，本研究基于機載LiDAR和低空傾斜攝影設計了一種有效的城市實景三維模型構建方法，創新性地融合機載LiDAR與低空傾斜攝影技術，克服了傳統技術在處理點云數據時易受激光點判別夾角偏差影響的局限，成功實現了模型邊界輪廓的精細化優化，顯著降低了平均歸一化誤差，提高了模型的精度與可靠性，可為城市規劃、管理及決策提供技術支持。

1機載LiDAR低空傾斜攝影三維模型優化設計方法

1.1基于機載LiDAR和低空傾斜攝影提取模型多視影像

機載LiDAR集成了慣性測量單元、激光掃描等多種高性能設備，可以實時獲取目標成像信息，滿足復雜環境要求。低空傾斜攝影技術可以在飛行平臺中搭設多臺機載LiDAR，實現信息的多角度采集，因此，本研究基于機載LiDAR和低空傾斜攝影提取了模型多視影像。考慮傾斜攝影的姿態信息角度變化，需要進行自動空三角解算，具體步驟如圖1所示。

間輔助角元素坐標。多視影像點在空間坐標中的位置均通過縮放比例處理，因此，可以根據外方位的線元素提取，計算公式為式（2）。

e(z₁，z₂)=ε[p(z₁，z₂)，q(z₁，z₂)]

式中： e(z₁，z₂) 代表三維擬合坐標； ε 代表原始坐標； p(z₁，z₂) 代表濾波坐標； q(z₁，z₂) 代表線性處理基準點[10]

基于此，可以提取多視影像DSM特征，在調整原始層連接狀態的基礎上剔除噪聲點，提高城市實景三維模型的擬合度。

1.2優化城市實景三維模型邊界輪廓

常規的城市實景三維模型存在邊界模糊問題，會影響模型的綜合質量，因此，本研究進行了城市實景三維模型邊界輪廓優化。即利用Douglas-Peucker算法，處理建筑物輪廓線，此時的輪廓邊界檢查點 h_r 的計算公式為式(3)。

h_r=w_c?h+(1-w)h

圖1機載LiDAR低空傾斜攝影空三自動解算步驟

式中： w_c 代表影像定位量測量坐標； w 代表模型劃分閾值； h 代表模型重疊位置標高。

此時，可以設置合理的角度閾值和長度閾值，對建筑物輪廓特征邊進行三角化處理，通過Cesium-Lab進行傾斜模型可視化三維轉換。可以將城市實景三維模型設置成OSGB\\3DTiles數據格式，調整模型的語義信息，完善模型轉換后的三維數據質量。

在三維渲染過程中，還需要動態地將對應矢量面疊加到傾斜攝影模型上，即在一定閾值范圍內垂直地表方向生成包圍盒，判斷哪些三角網在其范圍內，并用半透明顏色貼合三角網。待上述步驟完成后，可以提取單體化建筑邊界輪廓信息，進行三維核心坐標轉換，在建筑物輪廓周長、面積變化不超過 1% 的前提下，減少 86% 以上的建筑物輪廓冗余點。利用上述的三維模型邊界輪廓優化步驟，可以在不破壞原始數據LOD基礎上增加模型的貼合性，從而提高城市實景三維模型的綜合渲染速度。

由圖1可知，獲取的外業數據需要恢復原本的幾何關系，調整初始拓撲位置[8]，因此，可以根據相對定向狀態列出多視影像誤差校正方程，從多維元素出發，進行輔助轉換，轉換式 R_sT 為式(1)。

式中： R_to 代表空間輔助旋轉矩陣； x，y，z 代表空

2試驗

為驗證設計的基于機載LiDAR和低空傾斜攝影的城市實景三維模型優化設計方法的構建性能，本研究設置了有效的試驗平臺，將其與2種常規的城市實景三維模型優化設計方法對比[5-6]，具體如下。

2.1 試驗準備

結合城市實景三維模型構建試驗要求，本研究選取RockyCapture平臺作為試驗平臺，選取Phan-tan4Pro 無人機作為試驗無人機。試驗平臺中搭設了多旋翼不可變焦鏡頭，內置高性能CMOS相機，焦距設定為 8.8mm ，自動完成廣角對焦。按照《低空數字航空攝影規范》（CHZ3005—2021）規范計算試驗行高，記錄無人機相機參數，完成試驗正交分解初始化處理，生成的試驗流程如圖2所示。

圖2試驗流程

根據建模要求，本研究選取X區域作為研究區域，進行了試驗航攝分區。

為提高試驗效果，需進行影像偏差糾正，實時完成傾斜攝影采集，保證數據的綜合質量。考慮研究區域復雜的地形，需要進行若干次側拍，降低無人機飛行速度，充分采集城市建筑物紋理信息。在提升三維模型構建效率與精度的過程中，優化了POS數據處理流程，利用并行計算和高效數據融合算法，實現影像的快速準確疊加排列；同時，針對復雜城市地表覆蓋，開發精細化的重投影殘差計算模型，融入光照、大氣等環境因素考量，以提升重投影精度；此外，引入優化的SIFT特征點匹配算法，顯著加快了特征點提取與匹配速度，從而確保了模型構建的準確性與效率。此時，可以計算三維模型與真實模型差異指標MNE，計算公式為式（4）。

式中：RMSE為模型對應點計算距離均方誤差平方根； D 為真實模型的對角線距離。MNE越大，證明構建的城市實景三維模型的擬合度越低，構建偏差越大，反之則證明構建的城市實景三維模型的擬合度較高，構建性能良好。待上述步驟完畢后，即可得出有效的城市三維實景模型構建試驗結果。

2.2 試驗結果與討論

結合上述的試驗準備，在研究區域內進行航攝分區，布設若干個相控點，在上述試驗平臺中設置不同的航測/激光雷達儀，采集點云數據，完成空三角測量區塊分割匹配，以及模型參數初始化處理。在公共數據集上，選取具有代表性的幾個區塊，確保各方法能在相同的數據條件下進行公平比較，代表性的建模分塊分別為4-1、4-2-2、3-1-2、3-1-1、5-1和5-3-1。分別使用本研究設計的基于機載LiDAR和低空傾斜攝影的城市實景三維模型優化設計方法，文獻[5]的基于三維激光點云技術的城市實景三維模型優化設計方法，以及文獻[6]的利用SWDC-5Ah和Smart3D的城市實景三維模型優化設計方法進行模型構建，首先使用PhotoScan工具輸出模型性能指標，其次利用公式(4)計算3種方法的MNE，試驗結果見表1。

由表1可知，在渲染速度方面，本研究的方法具有明顯優勢，平均渲染時間明顯少于文獻[5]和文獻[6]的方法。其中，5-1分塊的渲染速度最快，為 12.45min 。文獻[5]方法的渲染速度較慢，平均渲染時間顯著長于本研究方法，且在不同分塊間波動不大。文獻[6]方法的渲染速度也較慢，但與文獻[5]方法相比略快一些，且在不同分塊間有所波動。在視覺一致性方面，本研究的方法在所有分塊上均取得了較高的分數，表明其構建的模型在視覺上更為一致真實。其中，5-1分塊的視覺一致性指標最高，為0.9712。文獻［5]、文獻[6]方法的視覺一致性指標普遍較低，且在不同分塊間波動不大。

紋理映射準確率方面，本研究的方法準確率較高，平均準確率超過 95% 。其中，5-1分塊的紋理映射準確率最高，為 99.662% 。文獻[5]方法紋理映射準確率普遍較低，且在不同分塊間波動不大。文獻[6]方法的紋理映射準確率也較低，但與文獻[5]方法相比略好一些，且在不同分塊間有所波動。除此之外，本研究方法的MNE值相對較低，文獻[5]、文獻[6]方法的MNE值普遍較高。由此可見，本研究的城市實景三維模型構建方法在渲染速度、視覺一致性、紋理映射準確率和MNE方面均表現出明顯優勢，具有一定應用價值。

3結語

在數字戰略發展背景下，我國的城市信息數字化需求不斷增長，規劃難度隨之增大。城市實景三維模型可以作為測繪基礎工具進行數字化經濟建設決策，提供必要的空間地理信息支持。本研究基于機載LiDAR和低空傾斜攝影設計了一種城市實景三維模型優化構建方法，試驗結果表明該方法綜合性能良好，具有一定的可靠性和應用價值，可為全面推進城市現代化建設作出一定的貢獻。

表1試驗結果

參考文獻：

[1]楊其璇，任瑞亮，馬全明，等.三維激光掃描與BIM技術融合的城市軌道交通地下建筑物三維建模方法[J].測繪通報，2024(4)：119-123.

[2]盧文剛，陳洋.基于“三維”模型的城市房屋坍塌重大安全事故應急治理研究：以泉州欣佳酒店“3·7\"坍塌事故為例[J].中國應急救援，2024(2)：18-25.

[3]方云杰，蓋振宇，尹海偉，等.基于三維點云數據的城市綠地植被參數評估體系研究：以唐山市唐豐南路為例[J].園林，2024，41(2):103-110.

[4]楊妍，于成，傅安洲，等.城市三維形態空間分異格局對大氣污染時空分布響應研究：以長沙市為例[J].湖南師范大學自然科學學報，2024，47(2)：12-21.

[5趙剛.基于三維激光點云技術的城市軌道交通線路空間數字底座建設[J].城市軌道交通研究，2024，27（4)：211-215.

[6]于寧.基于SWDC-5Ah和Smart3D的實景三維建模應用研究[J].城市勘測，2023(3)：96-98，102.

[7]蘇紫乾，周麗晨.無人機傾斜攝影測量的影像處理技術與應用三維建模系統的研究J.城市建設理論研究（電子版），2024(2)：178-180.

[8]李旭民，晏曉紅，孫可心，等.無人機傾斜攝影測量在城市復雜地形三維建模中的應用[J].測繪與空間地理信息，2023，46(12):41-44.

[9]李安源，謝紹彬，龍秀潔，等.微動探測方法在城市深部探測中的應用：以廣州南沙區三維深地探測項目為例[J].礦產與地質，2023，37(6)：1264-1270.

[10]賀心剛.無人機傾斜攝影測繪技術在城市實景三維建模中的應用探討：以江西省萍鄉市經開區為例[J].房地產世界，2023(22)：142-144.